数字秒表的设计与制作.doc

部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 南昌航空大学南昌航空大学 14 数字秒表的设计与制数字秒表的设计与制 作作 南昌航空大学测光学院南昌航空大学测光学院 110812 班班 魏铄岩魏铄岩 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 课程设计论文 题目题目 数字秒表的设计与制作 学院学院 测试与光电工程学院测试与光电工程学院 专业名称专业名称 测控技术与仪器测控技术与仪器 学生姓名学生姓名 魏铄岩魏铄岩 班级学号班级学号 11081211 指导教师指导教师 金信鸿金信鸿 二二 一四年六月一四年六月 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 数字秒表的设计与制作 学生姓名 魏铄岩班级 110812 11 指导老师 金信鸿 摘要 通过本电路掌握 rs 触发器 单稳态触发器 时针发生器及计时器 译 码显示单元电路的应用 u1a u1b 构成基本 rs 触发器 其作用是启动和停止 秒表工作 按动 k2 u1a 3 为高电平 u1b 6 为低电平 计数停止 按动 k1 计数器清零并开始计数 U2a u2b 构成微分型单稳态触发器 其输入触发负脉 冲加到计时器的清除端 mr 其职能是为计数器提供清零信号 Ne555 构成多谐 振荡器 调节 rl 可以使得 555 输出 100hz 的矩形波 u6 u7 u8 构成计数器及 分屏器 74ls160 为同步十进制加法计数器 u8 作为十分频器 对 100hz 信号进 行十分频 得 10hz 矩形波 即在其进位输出端 tc 取得 0 1 秒矩形脉冲信号 计数器 u6 u7 接成 8421 码十进制形式 同时计数器 u7 又经十分频得到 1 秒的 矩形脉冲信号作为 u6 的时针信号 计数器 u6 u7 分别作为秒表和 0 1 秒位数器 他们的输出端与译码单元的对应输入端连接 可现实 0 1 9 9 秒数字 U4 u5 和数码管形成显示单元 74ls247 为 bcd 码输入的四线 七段译码器 数码管采 用共阳数码管 关键词 rs 触发器 单稳态触发器 时针发生器及计时器 译码显示单元电路 指导老师签名 指导老师签名 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 课程设计任务书课程设计任务书 数字式秒表的设计数字式秒表的设计 一 任务和要求 设计并制作一个数字式秒表 要求如下 1 用三位数码管及一个 LED 发光二极管显示秒表计时 格式如下 分 开机时数码管显示 000 LED 灯灭 当计时超过 59 秒时 LED 灯亮 计到 1 分 59 秒时 过一秒 LED 灯灭 同时数码管重新计时显示 计时最小单位为 0 1 秒 2 具有如下功能键 开始 清零键 按第一下时计时开始 同时显示 按第二下 停止计时恢复到初始状态 固定显示键 按第一下时 显示固定 但计时仍继续 再按下时 显示从新时间开始 3 要求自制 0 1 秒信号源 4 设计并制作本电路所用直流电源 二 提示和参考文献 直流稳压电源见参考资料 P23 数字电子技术实验任务书 实验六 秒十位秒个位秒十分位 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 前言前言 课程设计是针对某一理论课程的要求 对学生进行综合性实践训练的实践教学环节 可以培养学生运用课程中所学的理论知识与时间紧密结合 独立地解决实际问题的能力 本次课程设计的数字式秒表的电路是利用不同功能的芯片和逻辑电路构成的数字电路 其中所需的芯片如计数器 译码器 锁存器等 它与我们所学的数电 模电密切相关 数 字 模拟电子技术是电子 通信专业的重要基础课程 其特点之一是实践性强 因此电子 电路课程设计也是其教学过程的重要组成部分 课程设计的目的及意义 1 基础知识更深层次的理解和掌握 2 逻辑思维的培养和锻炼 3 各学科之间的联系与整合 4 培养严谨的治学态度和优良的学习作风 5 培养各小组成员之间的团结协作精神 电子技术综合课程设计应达到如下基本要求 1 综合运用所学到的理论知识 比如数 模电 去独立完成一个设计课题 2 通过查阅手册和文献资料 培养学生独立分析和解决实际问题的能力 3 进一步熟悉需用电子器件的类型和特性 并掌握合理选用元器件的原则 4 学会电子电路的安装与调试技能 5 进一步熟悉各种电子仪器 如示波器 的正确使用方法 6 学会撰写课程设计总结报告 7 培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度 做课程设计的我们也应该做到以上基本要求 努力完成此次课程设计 以达到此次课 程设计的意义 在此非常感谢指导老师的耐心教导 以及组员们的竭力协作 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 目录目录 课程设计任务书 1 前言 2 1 方案的论证和选择 5 1 1 整体结构框图 5 1 2 设计方案 5 1 3 方案的选择 7 2 单元电路的设计 7 2 1 电源的设计 7 2 2 信号源的设计 0 1S 8 2 3 控制电路的设计 8 2 3 1 开始 暂停计时开关 8 2 3 2 清零开关 9 2 4 显示电路的设计 9 2 4 1 六进制计数器的设计 10 2 4 2 十进制计数器的设计 11 2 4 3 译码锁存电路设计 12 3 软件仿真 12 3 1 仿真软件的介绍 12 3 1 1 multisim 简介 12 3 1 2 proteus 7 简介 12 3 2 电源的仿真 13 3 3 信号源仿真 14 3 4 显示和控制电路的仿真 14 3 5 总体电路图初稿 16 4 电路的装调和数据分析 17 4 1 电源的装调 17 4 2 信号源的装调 17 4 3 显示译码锁存电路的装调 17 4 4 控制电路的装调 17 4 5 整体电路装调 18 4 6 数据处理 18 4 7 改进措施 18 5 总结 19 6 附录 21 6 1 总体电路图 21 6 2 元器件清单 22 6 3 芯片管脚图 23 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 参考文献 26 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 1 1 方案的论证和选择 方案的论证和选择 1 1 整体结构框图整体结构框图 根据任务书的要求 我们的整体思路框图如图 1 所示 图 1 数字秒表组成框图 1 2 设计方案设计方案 这次我们组设计的数字秒表实际上是一个计数及其一些简单的控制电路 对 10HZ 频 率的信号进行计数 锁存 清零及其显示 对 10HZ时间信号必须做到准确稳定 通常使用 石英晶体振荡器电路构成数字钟 但是在要求不高的情况下也可用 555 定时器构成的信号 源 再对该信号进行分频使之成为有用信号及 10Hz 信号 再用计数器对其进行计数 用译 码显示电路进行显示 即可完成 该系统是否能满足最终要求最重要的是信号源产生的信号是否稳定 所以方案有以下 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 两种 方案一方案一 使用具有译码 锁存功能 CD4511 计数器 74LS160 来设计显示控制部分 74LS160 555 74LS16074LS160 CD4511CD4511CD4511 74LS76 方案二方案二 使用单独的芯片 译码驱动器 74LS47 锁存器 74LS373 计数器 74LS160 设计的显示控 制部分 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 555 74LS16074LS16074LS16074LS160 74LS373 74LS4774LS47 74LS373 74LS47 74LS373 1 3 方案的选择方案的选择 方案一和方案二的不同主要是译码和锁存部分 方案一是用 CD4511 该芯片集译码和 锁存于一体 使用的芯片少 使电路大大的简化 总体的设计比较合理 方案二使用了译 码器和锁存器独立的设计 即译码器用 74LS48 而锁存器用 74LS373 组合起来对计数器进 行操作 而且方案二多了一片 74LS160 这片 74LS160 主要使用其清零端对二极管进行清 零操作 方案二总体来说使用芯片较多 布线较麻烦 最终考虑到实验室没有 CD4511 于是只好采用方案二 2 2 单元电路的设计 单元电路的设计 2 1 电源的设计电源的设计 根据实验要求必须接入是 220v 的交流电 而实验所用电源都使直流 所以需要一 个 的变压器 变压器只能转化成交流电 故此处可使用整流电路加上滤波和稳压 就可以得到所需电压 它的一般设计步骤如下 1 变压器得到可用交流电 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 2 经过整流二极管对其整流 3 再用电容对其滤波 4 最后用 7805 稳压系统对其进行稳压 其电源的总电路图如图 2 所示 图 2 电源电路图 2 2 信号源的设计 信号源的设计 0 1s 555 定时器是一种多用途的数字 模拟混合集成电路 用它能方便的构成施密特触发器 单稳态触器和多谐振荡器 由于使用灵活方便 所以它在波形的产生与变换 测量与控制 家用电器 电子玩具等许多领域得到广泛的应用 实验所需信号时频率为 10Hz 的信号 故 用 555 定时器做一个占空比为 1 2 周期为 0 1s 的信号源 具体电路图如图 3 所示 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 图 3 0 1s 信号源 2 3 控制电路的设计控制电路的设计 2 3 12 3 1 开始开始 暂停计时开关暂停计时开关 本设计使用的是双 JK 触发器 属下降沿触发的触发器 它的 1Q 输出端接 8D 锁存器 74LS373 的 LE 端来对译码器 74LS47 进行锁存 当下降沿到来的时候 从而达到固定显示 的目的 2 3 22 3 2 清零开关清零开关 JK 触发器的 2Q 输出端接计数器 74LS160 的 RD 非端 当下降沿到来的时候 从而使计 数器清零 通过接入脉冲式开关及其上拉电阻来产生脉冲 再将 JK 触发器接成 T 触发器 这样保 证了有单脉冲 之后电路状态必翻 如图 4 所示 J 和 K 都必须接高电平保证触发器成为 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 一个 T 触发器使之成为必翻电路 当脉冲开关没按下时时钟信号是一个低电平 当脉冲开关 按下时时钟信号由低电平变成高电平 导致 Q 也有相应的变化 这样就可以手动控制电路 状态 图 4 控制电路 2 4 显示电路的设计显示电路的设计 计数器是数字系统中使用最多的时序电路 它是由触发器和控制门组成 它不仅可以 用来计数 还可以用于数字系统的定时 分频执行数字运算等 计数器的种类繁多 分类方法也有多种 按计数器中的触发器翻转次序可分为异步和 同步计数器 按计数器的编码方法分为二进制 十进制和其它进制计数器 按计数过程中 的数字增减分为加法与减法计数器 本次课设所用的 74LS160 就是同步置数 异步清零的 因为 74LS160 兼有异步清零和同步置数功能 所以置零法和置数发均可采用 由于置零法 信号随着计数器被置零而立即消失 所以置零信号持续时间极短 如果触发器的复位速度 有快有慢 则可能动作慢的触发器还未来得及复位 置零信号已经消失导致电路误动作 因此这种接法的电路可靠性不高 为了克服这一缺点在本次设计中采用置数法来设计电路 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 2 4 12 4 1 六进制计数器的设计六进制计数器的设计 这部分是由 74LS160N 74LS00N 74LS48 4205 共阴数码管和 74LS373 组成 由于 74LS160N 计数器是一个十进制的 异步清零的 当其第六个状态到达时必须清零 设计时 将 74LS160 的置数端全部接地 输出端 Q2 Q3 端经与非门接到 LOAD 端 使其第六个状态 到达时整体置零 具体电路图如图 5 所示 图 5 六进制电路图 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 2 4 22 4 2 十进制计数器的设计十进制计数器的设计 这部分是由 74LS160N 74LS48 4205 共阴数码管和 74LS373 组成 设计时将 74LS160 的置数端全部接地 由于 74LS160 是一个十进制计数器所以可以直接连接 LOAD 接高电平 故电路如图 6 所示 图 6 十进制电路 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 2 4 32 4 3 译码锁存电路设计译码锁存电路设计 在数字系统中常常需要将测量或处理的结果直接显示成十进制数 为此 首先将 BCD 码表示的结果送到译码器进行译码 用它的输出去驱动显示器件 由于显示器的工作方式 不同 对译码器的要求也就不同 译码器的电路也不同 具体接法在十进制计数器设计跟 六进制计数器设计中都已连接好 根据 74LS373 所能实现的功能 在 74LS373 的 OE 端接 地 LE 端接控制端 受开关的控制 当触动开关使下降沿到来 74LS373 工作在锁存状态 下 从而达到锁存的的功能 当 74LS373 的 LE 端接高电平的话 芯片为直通的 输入跟 输出保持一致 译码驱动器 74LS48 驱动的是共阴数码管 所以接共阴数码管 将芯片悬 空的控制引脚统一接高电平以免引起误差 具体图形参照图 5 图 6 3 3 软件仿真 软件仿真 3 1 仿真软件的介绍仿真软件的介绍 3 1 13 1 1 multisim 简介简介 仿真软件 NI Circuit Design Suite NI 电路设计套件 是美国国家仪器有限公司 National Instrument 简称 NI 公司 下属的 Electronics Workbench Group 推出的以 Windows 为基础的仿真工具 它可以实现对电路原理图的图形输入 电路硬件描述语言输 入方式 电路分析 电路仿真 仿真仪器测试 射频分析 单片机分析 PCB 布局布线 基本机械 CAD 设计等应用 NI 电路设计套件包含下列 Electronics Workbench 软件产品 NI Multisim NI Ultiboard 和 NI Multisim MCU Module 以前被称为 MultiMCU NI Multisim 10 1 特点 丰富的元器件 提供了世界主流元件提供商的超过 16000 多种元件 同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改 能利用模型生成器以及代码模式创建模型等 功能 强大的仿真能力 以 SPICE3F5 和 Xspice 的内核作为仿真的引擎 通过 Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化 包括 SPICE 仿真 RF 仿真 MCU 仿真 VHDL 仿真 电路向导等功能 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 3 1 23 1 2 proteus 7 简介简介 Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件 它运行于 Windows 操作系统上 可以仿真 分析 SPICE 各种模拟器件和集成电路 该软件的特点是 实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片 机及其外围电路组成的系统的仿真 RS232 动态仿真 I2C 调试器 SPI 调试器 键盘和 LCD 系统仿真的功能 有各种虚拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 支持 主流单片机系统的仿真 目前支持的单片机类型有 68000 系列 8051 系列 AVR 系列 PIC12 系列 PIC16 系列 PIC18 系列 Z80 系列 HC11 系列以及各种外围芯片 提供软 件调试功能 在硬件仿真系统中具有全速 单步 设置断点等调试功能 同时可以观察各 个变量 寄存器等的当前状态 因此在该软件仿真系统中 也必须具有这些功能 同时支 持第三方的软件编译和调试环境 如 Keil C51 uVision2 等软件 具有强大的原理图绘 制功能 总之 该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件 功能极其强大 3 2 电源的仿真电源的仿真 图 7 电源仿真图 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 电源仿真用 multisim10 1 进行 可以稳定输出直流 5v 电压 如图 7 所示 3 3 信号源仿真信号源仿真 图 8 信号源仿真图 图 9 信号源波形图 信号源仿真要求得到 10Hz 矩形波 用图 8 所示电路在 multisim10 1 中仿真 就得到 如图 9 所示的矩形波 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 3 4 显示和控制电路的仿真显示和控制电路的仿真 由于显示部分跟控制电路仿真时很难单独来完成 所以将显示控制部分一起仿真 图 10 显示控制电路图 显示控制电路图是在 Proteus 7 中仿真 可得到实验要求显示的电路如图 10 也可通 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 过开关控制电路的开始 清零和锁存 3 5 总体电路图初稿总体电路图初稿 仿真软件中的空间有限 由于我们所使用的元器件比较多 在 proteus 7 中很难清楚 的表示出来 所以将电源部分省略 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 图 11 总体电路草图 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 4 4 电路的装调和数据分析 电路的装调和数据分析 4 1 电源的装调电源的装调 做电源时 因为当时设计时使用的是 IN4007 在领器件时 考虑到使用整流桥方便 便更改为整流桥 但连接时 对整流桥不熟 便采用逐脚测试 试出了正确引脚接法 4 2 信号源的装调信号源的装调 接好信号源纸都一直没有输出信号 我们检查了连线没有问题之后 加发光二极管测 试输出信号 结果没有显示 经过大家的分析 调整最后才发现原来是二极管接反了 改 正之后信号源正常工作 在信号源的输出过程中测得信号源的输出脉冲比 0 1 秒稍慢 这是由于在领元器件的 时候我们需要使用的 72 15 K 的电阻没有 结果我们领到得是 75 K 的电阻 导致信号 源的输出稍有误差 4 3 显示译码锁存电路的装调显示译码锁存电路的装调 在调试显示部分的时候 我们设计仿真的时候用的是 74LS48 共阴驱动译码器 在元器 件清单上写的是共阴数码管 结果领器件时没有 74LS48 只好用 74LS47 代替 在测试时 数码管一直不亮 在检查连线没有问题之后 一致认为是数码管出现问题 经过查阅资料 跟请教同学 才知道数码管应该选用共阳的 在替换了数码管之后显示部分才有所显示 在连线部分也出现了一些问题 将 74LS47 的输出与 BCD 数码管的输入接错 导致我 们的数字显示为乱码 经过仔细的检查 我们将接错的线纠正了之后数码管才正常显示 4 4 控制电路的装调控制电路的装调 我们连好电路图并检查无误 但是开关部分却不起作用 经过排查才发现时面包板的 问题 在移动电路重新插好之后电路正常工作 在控制电路部分我们刚开始给 JK 触发器的 CLR 直接接高电平 结果在测试的时候我们设置的开始开关不起作用 插上电源后计数器 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 就直接开始计数 而且初始状态并非 000 而是一个随机的数字 说明计数器刚一开始没有 达到一个稳定的状态 经过老师和同学的指点 我们在 CLR 端加电阻接高电平加电容接地 使得初始状态达到一个稳定的状态 000 4 5 整体电路装调整体电路装调 在整体电路的装调过程中 将之前独立的部分连接起来 将电源与信号源首先连接起 来 然后将显示及控制部分的接高电平和低电平的地方跟电源连接好 再将信号源的输出 信号加在 74LS160 的 CLK 端 控制电路中 JK 触发器的 Q1 端接 74LS373 的 LE 端从而达到锁 存的目的 Q2 端接端 做为清零信号 Rd 在整体电路的链接过程中 由于刚开始的时候各个模块是相对独立的 并且各部分的 连线比较复杂 连线时要仔细认真 各部分的连接线一定要接在对应位置 布线要合理 面包板的空间比较有限 尽量使得布局看起来整齐简洁 当我们把各自的单元电路图连接在一起时 就产生了问题 数码管虽然显示正常 但 与实际的秒表误差太大 因此我们就想办法 最后我们知道那是信号源的问题 信号源的 周期有点大 因此我们就调电位器 当调到 70K 到 75K 之间的时候 数码管的显示才与 秒表的误差不到 1 秒 最后一个问题就是接通电源好数码管显示不是三个 0 最后通过大 家的意见 在 JK 触发器上加了个 RC 振荡回路后 再试以后 终于成功了 4 6 数据处理数据处理 因为我们需要 0 1 秒的信号源 占空比为 1 2 由公式充电时间 T1 R1CLn2 而放电时间 T2 R2CLn2 输出脉冲的占空比为 Q R1 R1 R2 当 Q 1 2 时 R1 R2 电路的振荡周期为 T T1 T2 R1 R2 CLn2 1 2 电容 C 1uF 代入数值得 R1 R2 72 15K 4 7 改进措施改进措施 开始设计的控制电路给端直接加高电平 结果使得初始状态不稳定 最后在端 RdRd 加电阻接高电平并且加电容接地 使得初始状态达到稳定值 再将 Q2 加到 74LS160 的 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 端 Rd 电路图如图 12 所示 图 12 清零改进图 5 5 总结 总结 通过这次对数字电子钟的设计作 让我了解了电路设计的基本步骤 也让我了解了关 于数字钟的原理与设计理念 在这次课程设计作业的过程中由于在设计方面我们没有经验 理论基础知识掌握得不牢固 在设计中难免会出现这样那样的问题 在选则 74LS160 的进 位及连接方式时 还有 74LS373 和 74LS47 的工作原理及管脚图的诸多方面 其次在确定设 计方案时 拖了好久 比如所开关运用触发器的选择上面等 同学们在这方面的知识比较 缺乏 幸好得到了同学的帮助 找到了方法 把问题解决了 再次 在控制电路中也遇到 了很多问题 比如说 如何实现任务书上的要求的功能如何实现 怎样用 7476 来实现控制 电路 在同学的帮助下逐步解决了 这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验 的不足 对于我来说 收获最大的是方法和能力 这次课设是我们第一次使用仿真软件进行设计的 从这次的仿真中 我发现仿真和实 际的电路也有不少差别 仿真的电路图放在实际中不一定就可以用 因为仿真软件会帮你 把一些细小部分自动完善 但实际连接的电路就不能按照预定目标实现 比如我们设计的 部分内容来源于网络 有侵权请联系删除 显示电路在仿真软件中正常运行着 但实际连好后 却不能实现开机清零功能 最后我们 在同学的帮助之下把电路进行了完善 才得到我们预期的电路 在整个课程设计的过程中 我发现我们在经验方面十分缺乏 空有理论知识 没有理 性的知识 有些东西可能与实际脱节 我们最初的设计就因为器材的限制而无法实现 而 且通过对此课程的设计 我不但知道了以前不知道的理论知识 也巩固了以前知道的知识 最重要的是在实践中理解了书本上的知识 明白了学以致用的真谛 也明白老师要求我们 做好这个课程设计的原因 教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题 提高我们的 动手能力 总体来说 我觉得像